EA026911B1

EA026911B1 - Downhole impact machine

Info

Publication number: EA026911B1
Application number: EA201500595A
Authority: EA
Inventors: Авис Самигуллинович Латыпов; Жанибек Гинаятович Шайхымежденов; Серик Зейнуллич Кабдулов; Юлия Ависовна Латыпова; Азамат Жанибекович Шайхымежденов; Бибинур Сериковна Кабдулова
Original assignee: Авис Самигуллинович Латыпов; Жанибек Гинаятович Шайхымежденов; Серик Зейнуллич Кабдулов
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2017-05-31
Also published as: EA201500595A1

Abstract

The invention is related to mining, in particular, to drilling of boreholes by a rotary-impact method using liquid or gaseous medium as a drive. The technical result is simpler design of the impact machine for variation of the impact impulse character through a wide range for higher efficiency of rotary-impact drilling during boring of holes of various hardness. For this purpose, in a downhole impact machine comprising a tubular body having an upper adaptor with a cylinder and a lower adaptor with spline projections engageable with flutes of the anvil above which, arranged in series, are spring-loaded hammer provided with a valve seat, and a valve-piston with a limit stop, the hammer is provided with a ribbed sleeve mounted above or under the spring, the valve seat is made as a separate part arranged between the ends of the hammer and the valve-piston having a piston made as a separate part arranged in the cylinder of the upper adaptor that can be disposed above the piston of the valve weight.

Description

Изобретение относится к области горного дела, в частности к бурению скважин вращательноударным способом с использованием в качестве привода жидкой или газообразной среды.The invention relates to the field of mining, in particular to drilling wells using a rotary impact method using a liquid or gaseous medium as a drive.

Известна погружная ударная машина (в дальнейшем - ударная машина) (Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г. Бурение скважин гидроударниками. М.: Недра, 1967 г., с. 30, рис. 5), содержащая трубчатый корпус, снабженный верхним переходником с цилиндром и нижним - с шлицевыми выступами, взаимодействующими с шлицами наковальни, над которой последовательно расположены подпружиненные, снабженный седлом клапана ударник и клапан-поршень с ограничителем хода.Known submersible percussion machine (hereinafter - percussion machine) (Epstein EF, Yasov VG Drilling wells with hydraulic hammers. M: Nedra, 1967, p. 30, Fig. 5), containing a tubular body equipped with an upper adapter with a cylinder and a lower one with splined protrusions interacting with the slots of the anvil, above which a spring-loaded hammer equipped with a valve seat and a piston valve with a travel stop are sequentially arranged.

Одним из недостатков известной ударной машины является то обстоятельство, что мгновенно после нанесения удара по наковальне ударник отскакивает под воздействием энергии сжатой пружины при прямом ходе, что снижает возможность передачи всего ударного импульса на резцы породоразрушающего инструмента, снижающего эффективность разрушения породы на забое скважины.One of the disadvantages of the known percussion machine is the fact that immediately after striking the anvil, the percussion device bounces under the influence of the energy of the compressed spring in the forward stroke, which reduces the possibility of transmitting the entire shock impulse to the cutters of the rock cutting tool, which reduces the efficiency of rock destruction at the bottom of the well.

Кроме того, в известной ударной машине не предусмотрена возможность оперативного изменения характера передаваемого ударного импульса на горную породу забоя скважины.In addition, the well-known percussion machine does not provide the ability to quickly change the nature of the transmitted shock impulse to the rock bottom hole.

Основной задачей изобретения является повышение эффективности бурения скважин в породах различной крепости с использованием как жидкого, так и газообразного очистного агента.The main objective of the invention is to increase the efficiency of drilling wells in rocks of various strengths using both liquid and gaseous treatment agents.

Для этого в ударной машине, содержащей трубчатый корпус, снабженный верхним переходником с цилиндром и нижним - с шлицевыми выступами, взаимодействующими с шлицами наковальни, над которой последовательно расположены подпружиненные, снабженный седлом клапана ударник и клапанпоршень с ограничителем хода, ударник снабжен устанавливаемой над пружиной или под ней ребристой втулкой, седло клапана выполнено в виде отдельной детали, расположенной между торцами ударника и клапан-поршня, поршень которого выполнен в виде отдельной детали, расположенной в цилиндре верхнего переходника, выполненного с возможностью размещения над поршнем утяжелителя клапана.To do this, in a percussion machine containing a tubular body equipped with an upper adapter with a cylinder and a lower one with splined protrusions interacting with the slots of the anvil, over which a spring-loaded drum, equipped with a valve seat, and a piston valve with a stroke limiter are arranged, the drummer is equipped with a spring mounted or under ribbed sleeve, the valve seat is made in the form of a separate part located between the ends of the hammer and the piston valve, the piston of which is made in the form of a separate part, located dix cylinder upper adapter adapted to be placed over the piston valve weighting agent.

Предлагаемая конструкция ударной машины позволяет в широких пределах без изменения расхода очистного агента изменять характер передачи ударного импульса на разрушаемую горную породу, а именно создавать максимальную величину энергии удара;The proposed design of the impact machine allows, within a wide range, without changing the consumption of the treatment agent, to change the nature of the transmission of the shock pulse to the rock being destroyed, namely, to create the maximum value of the impact energy;

создавать минимальную величину энергии удара с одновременным увеличением их числа; формировать последовательно три ударных импульса за один цикл; формировать последовательно два ударных импульса за один цикл.create a minimum value of impact energy with a simultaneous increase in their number; three consecutive shock pulses in one cycle; form two shock pulses sequentially in one cycle.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез ударной машины (на левой стороне показана схема, когда ребристая втулка расположена над пружиной, установлено более тяжелое седло клапана и поршень большего диаметра с утяжелителем клапана; а на правой стороне показана схема, в которой ребристая втулка расположена под пружиной, установлено более легкое седло клапана, а поршень представлен малого диаметра без утяжелителя).The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of a percussion machine (on the left side there is a diagram when the ribbed sleeve is located above the spring, a heavier valve seat and a larger piston with a valve weight are installed; and on the right side is a diagram in which the ribbed sleeve is located under the spring, a lighter valve seat is installed, and the piston is presented with a small diameter without weighting).

Ударная машина состоит из трубчатого корпуса 1 (в дальнейшем корпус 1), имеющего по концам переходники 2 и 3, верхний из которых (2) предназначен для соединения с колонной бурильных труб (не показанной на чертеже) и для размещения утяжелителя 4 клапана поршневой пары (клапан 5, поршень 6). Нижний переходник выполнен в виде шлицевой муфты 3, в которой расположена наковальня 7, снабженная шлицами, которая имеет возможность осевого перемещения и имеет на нижнем торце резьбу для соединения с породоразрушающим инструментом 8 (в дальнейшем ПРИ 8). Над наковальней 7 последовательно расположены пружина 9 ударника 10 с ребристой втулкой 11 и седло клапана 12 (в дальнейшем седло 12), взаимодействующее с клапаном 5, имеющим пружину 13, опорный выступ 14 и трубчатый ограничитель 15 хода клапана, опирающегося на кольцевой выступ 16 корпуса. Над клапаном 5 расположен поршень 6, диаметр которого зависит от диаметра цилиндра 17, над которым при необходимости располагают с возможностью продольного перемещения утяжелитель 4.The impact machine consists of a tubular housing 1 (hereinafter referred to as housing 1) having at the ends of the adapter 2 and 3, the upper of which (2) is designed to connect to the drill pipe string (not shown in the drawing) and to accommodate the weighting element 4 of the piston pair valve ( valve 5, piston 6). The lower adapter is made in the form of a spline coupling 3, in which an anvil 7 is located, equipped with slots, which has the possibility of axial movement and has a thread on the lower end for connection with the rock cutting tool 8 (hereinafter referred to as PR 8). Above the anvil 7, the spring 9 of the striker 10 with the ribbed sleeve 11 and the valve seat 12 (hereinafter the seat 12), which interacts with the valve 5 having a spring 13, a support protrusion 14 and a tubular stopper 15 of the valve stroke, resting on the annular protrusion 16 of the housing, are sequentially located. A piston 6 is located above the valve 5, the diameter of which depends on the diameter of the cylinder 17, over which, if necessary, a weighting agent 4 is arranged with the possibility of longitudinal movement.

На чертеже латинскими буквами обозначены: х - ход клапана; ζ - свободный ход ударника; у - ход ребристой втулки; 1 - ход наковальни (для поджатия пружины ударника).In the drawing, the Latin letters denote: x - valve stroke; ζ - free play of the striker; y - the course of the ribbed sleeve; 1 - the course of the anvil (to preload the spring of the drummer).

Перед использованием описываемой ударной машины для вращательно-ударного бурения производят установку подвижных его элементов в соответствии с характером горной породы. Рассмотрим его эксплуатацию в варианте получения строенного удара в цикле, например при проходке плотных глин. Для этого необходим вариант сборки ударника 10 при установке ребристой втулки 11 над пружиной 9, установки облегченного седла 12 и утяжеленного поршня 6 с утяжелителем 4 клапана-поршня. Ударная машина общепринятым способом опускается в скважину, включается подача очистного агента, которая до постановки на забой ПРИ скважины свободно проходит в сторону забоя скважины, так как наковальня 7 при этом под действием сил тяжести опирающихся на нее элементов и энергии потока жидкости находится в нижнем положении, открывая зазор между торцом седла 12 и нижним торцом клапана 5, находящегося под воздействием пружины клапана в верхнем положении. По мере постановки ПРИ 8 на забой скважины наковальня 7 с ПРИ 8 перемещается вверх на величину 1, вследствие чего седло 12 перекрывает канал клапана 5, что вызывает явление гидроудара (пневмоудара), под действием которого система «ударник-ребристая втулка-седло-клапан-поршень-утяжелитель клапана» перемещаются вниз до момента посадки опорных выступов 14 клапана 5 на верхний торец ограничителя 15 хода клапана 5. От упомянутой системы отсекаются клапан-поршень-утяжелитель, а его ударный импульс через кольце- 1 026911 вой выступ 16, через корпусную тубу, муфту шлицевую 3 и корпус наковальни 7 передается резцам ПРИ 8, создавая первичное напряжение в горной породе. По мере преодоления величины свободного хода «ζ» ударник 10 возбуждает ударный импульс на хвостовике наковальни 7, который затем через ПРИ 8 воздействует на горную породу. Ввиду того, что ребристая втулка 11 расположена на ударнике с возможностью продольного перемещения, то возникает дополнительный ударный импульс от воздействия ребристой втулки на пружину, установленную на головку наковальни 7. Далее эта энергия передается через корпус ПРИ 8 на резцы ее. Таким образом произойдет увеличение времени воздействия динамических нагрузок на резцы ПРИ 8 в пределах ударного цикла. Во время угасания скорости перемещения ребристой втулки 11 вниз элементы клапанно-поршневой системы под воздействием сжатой при прямом ходе пружины клапана 13 займут верхнее положение, ожидая подъема ударника 10 в верхнее положение для совершения следующего цикла формирования ударных импульсов. Известно, что для разрушения пород высокой крепости необходимо формирование ударного импульса с более высокой скоростью разгона ударных элементов. Для этого ребристую втулку 11 устанавливают под пружину, а седло 12 монтируют наименьшей массы, устанавливают поршень 6 наименьшего диаметра, а утяжелитель 4 не устанавливают. Ввиду установки поршня 6 наименьшего диаметра без утяжелителя в ударной машине будет формироваться ударный импульс, имеющий наибольшее значение, так как кинетическая энергия находится при ее расчете в квадратичной зависимости от скорости, а от массы - в первой степени.Before using the described percussion machine for rotary percussion drilling, the installation of its movable elements is carried out in accordance with the nature of the rock. Consider its operation in the option of obtaining a structural impact in the cycle, for example, when sinking dense clays. To do this, you need the option of assembling the striker 10 when installing the ribbed sleeve 11 above the spring 9, installing a lightweight seat 12 and a weighted piston 6 with a weighting element 4 of the piston valve. The percussion machine is generally lowered into the well, the feed of the treatment agent is turned on, which freely goes towards the bottom of the well before setting it to the bottom while the anvil 7, since the anvil 7 is in the lower position under the action of gravity of the elements resting on it and the energy of the fluid flow opening the gap between the end face of the seat 12 and the lower end of the valve 5, which is under the influence of the valve spring in the upper position. As PRI 8 is placed on the bottom of the well, the anvil 7 with PRI 8 moves upward by a value of 1, as a result of which the seat 12 closes the channel of the valve 5, which causes the phenomenon of hydraulic shock (pneumatic shock), under the influence of which the system “shock-ribbed sleeve-seat-valve- the piston-weighting valve ”is moved down until the bearing protrusions 14 of the valve 5 are planted on the upper end of the stopper 15 of the valve 5 stroke. The valve-piston-weighting device is cut off from the mentioned system, and its shock impulse through the ring is 1,026911 howl 16, through the body tube , slotted clutch 3 and the anvil body 7 is transmitted to the cutters PRI 8, creating a primary stress in the rock. As the free-wheeling ζ is overcome, the striker 10 excites a shock pulse on the shank of the anvil 7, which then acts on the rock through PR 8. Due to the fact that the ribbed sleeve 11 is positioned on the striker with the possibility of longitudinal movement, an additional shock pulse arises from the action of the ribbed sleeve on the spring mounted on the anvil head 7. Then this energy is transmitted through the body AT 8 to its cutters. Thus, there will be an increase in the time the dynamic loads act on the cutters AT 8 within the shock cycle. During the extinction of the speed of movement of the ribbed sleeve 11 down, the elements of the valve-piston system under the action of the spring of the valve 13 compressed during the forward stroke will occupy the upper position, waiting for the hammer 10 to rise to the upper position for the next cycle of formation of shock pulses. It is known that the destruction of rocks of high strength requires the formation of a shock pulse with a higher acceleration speed of shock elements. For this, the ribbed sleeve 11 is installed under the spring, and the saddle 12 is mounted with the smallest mass, the piston 6 of the smallest diameter is installed, and the weighting agent 4 is not installed. Due to the installation of the smallest diameter piston 6 without a weighting agent, the shock impulse will be formed in the impact machine, which is of the greatest importance, since the kinetic energy is quadratic in its calculation of speed and mass in the first degree.

Такая сборка элементов ударной машины может быть использована для проходки очень крепких пород в режиме формирования одного ударного импульса за цикл, так как масса клапана 5 с поршнем 6 наименьшего диаметра будет мала и ожидать заметного значения энергии удара от системы клапанпоршень при посадке опорных выступов 14 на кольцевой выступ 16 корпуса не приходится. Для бурения пород средней крепости может быть использована сборка ударной машины при установке ребристой втулки под пружину 9 ударника 10, который оснащают седлом 12 наибольшей массы и устанавливают поршень 6 большей массы, снабженного утяжелителем 4. При использовании ударной машины такой компоновки будет происходить два (посадка клапан-поршень-утяжелитель и ударника) гидроимпульса за цикл.Such an assembly of elements of a percussion machine can be used to drive very hard rocks in the mode of formation of one shock impulse per cycle, since the mass of the valve 5 with the piston 6 of the smallest diameter will be small and expect a noticeable value of the impact energy from the valve-piston system when landing the supporting protrusions 14 on the annular The protrusion of the 16th case is not necessary. For drilling medium-strength rocks, an assembly of the percussion machine can be used when installing a ribbed sleeve under the spring 9 of the striker 10, which is equipped with a saddle 12 of the largest mass and a piston 6 of a larger mass equipped with a weighting agent 4 is installed. When using a percussion machine of this arrangement, two will occur (valve landing -Piston-weighting compound and hammer) of hydraulic impulse per cycle.

Таким образом, имея в наличии двух-трех типоразмеров сменные элементы (ребристых втулок, седел клапана, поршней и утяжелителей) можно получить непосредственно на объекте работ ударную машину, позволяющую формировать широкий диапазон ударных импульсов, позволяющих разрушать наиболее эффективно различные типы горных пород. В качестве рабочей среды погружной ударной машины могут быть использованы как жидкость, так и газ.Thus, having two or three sizes available, replaceable elements (ribbed bushings, valve seats, pistons and weighting materials) can be used to directly produce a shock machine that allows the formation of a wide range of shock pulses that can destroy various types of rocks most effectively. As the working medium of the submersible impact machine, both liquid and gas can be used.

Claims

A submersible impact machine comprising a tubular body provided with an upper adapter with a cylinder and a lower one with splined protrusions interacting with the slots of the anvil, above which a spring-loaded, equipped with a valve seat valve and a piston piston with stroke limiter are located, which further comprises a ribbed sleeve, mounted above or below the hammer spring, while the valve seat is made in the form of a replaceable part located between the ends of the hammer and the piston valve, the piston of which th made in the form of a replaceable part located in the cylinder of the upper adapter, made with the possibility of placing above the piston weighting valve.